基于S3C2440A微處理器和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制

隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，基于嵌入式系統(tǒng)編寫(xiě)特制電路下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序也越來(lái)越受到人們的青睞。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，嵌入式Linux是免費(fèi)的源代碼開(kāi)放軟件，可根據(jù)需要任意進(jìn)行剪裁。在嵌入式Linux開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要為指定設(shè)備編寫(xiě)和編譯驅(qū)動(dòng)程序，這與以往在PC機(jī)上的Linux驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)明顯不同，本文設(shè)計(jì)了基于S3C2440嵌入式Linux下激光雕刻系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要由中央控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器以及步進(jìn)電機(jī)四大部分組成。本系統(tǒng)采用基于ARM920t內(nèi)核的S3C2440A微處理器作為控制系統(tǒng)的中央控制器，該芯片主頻400MHz，最高可達(dá)到533MHz，內(nèi)含多種設(shè)備接口，存儲(chǔ)器使用64MB的Nand Flash和64MB的SDRAM。圖l所示為控制系統(tǒng)框圖。

2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)主要控制兩個(gè)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，分別代表X軸和Y軸帶動(dòng)傳能光纖進(jìn)行激光雕刻。系統(tǒng)采用8路I／O口進(jìn)行脈沖輸出，每4路接一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)功率放大后，進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組。電機(jī)有半步、整步兩種工作模式，整步模式的步距角為1．8°，半步模式的步距角為0．9°，整步一周共200步。如：半步模式的兩步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)脈沖為{0x11，0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99}；整步模式為{0x11，0x22，0x44，0x88，0x11，0x22，0x44，0x88}，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作時(shí)，只對(duì)脈沖時(shí)序的高或低4位操作，另外4位為0。而改變脈沖的順序，即可改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理在Linux應(yīng)用程序中完成，步進(jìn)量傳遞給Linux驅(qū)動(dòng)程序后，由驅(qū)動(dòng)程序完成脈沖輸出。通過(guò)軟件來(lái)完成脈沖分配，可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需要，隨時(shí)改變對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。

3 嵌入式Linux步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備（而不僅是存儲(chǔ)器里的文件）都看成文件，以操作文件的方式訪問(wèn)設(shè)備。應(yīng)用程序不能直接操作硬件，而是使用統(tǒng)一的接口函數(shù)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件之間的接口。Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核接口可分為三大方面：a．與系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化；b．與內(nèi)核接口通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file．operrations來(lái)完成；c．與設(shè)備的接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。而脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)是控制電機(jī)的兩個(gè)重要方面。本系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)4路脈沖輸出由硬件地址0x28000006的bit0～bit3控制，bit0對(duì)應(yīng)MOTOR A+，bit1對(duì)應(yīng)MOTOR B+，bit2對(duì)應(yīng)MOTOR_A-，bit3對(duì)應(yīng)MOTOR_B-。這里針對(duì)整步模式下的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行脈沖分配信號(hào)，半步模式的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)的控制順序?yàn)锳+_A+B+_B+_B+A-_A-_一A-B-_B-，整步模式的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)的控制順序?yàn)锳+_B+_A-_B-。

因此在程序中需要通過(guò)編制脈沖分配信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，并通過(guò)修改脈沖分配信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)方向的控制。圖2是用軟件形成環(huán)形脈沖的流程圖。

系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)只響應(yīng)應(yīng)用程序傳送給驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)量和部分參數(shù)，只能順序地進(jìn)行控制操作，因此它可作為字符設(shè)備來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)程序中，需要提供幾個(gè)操作函數(shù)的入口點(diǎn)，分別為open、read、write、ioet1等。而ioct1函數(shù)尤為重要，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用這個(gè)函數(shù)可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在初始化函數(shù)中，會(huì)將驅(qū)動(dòng)程序的file operations結(jié)構(gòu)連同其主設(shè)備號(hào)一起向內(nèi)核進(jìn)行注冊(cè)。對(duì)于字符設(shè)備使用以下函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)：int register_chrdev（unsigned int major，const char*name，struct file_operations*fops）；其中，unsigned int major為定義的主設(shè)備號(hào)，const char*name為定義的設(shè)備名稱，這里把設(shè)備名宏定義為stepper。file_operations*fops為定義的指針變量。申請(qǐng)控制步進(jìn)電機(jī)的端口用以下函數(shù)進(jìn)行調(diào)用：request_region（0x28000006， 1， const char*name）；因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)用到了I／O端口，而在S3C2440中操作端口要用虛擬地址而非實(shí)際的物理地址，因此要修改內(nèi)核代碼。修改文件內(nèi)核源代碼中間的smdk．c，該文件在linux／arch／arm／mach-s3c2440中，在結(jié)構(gòu)體static struct map_descsmdk_io_desc［］中添加一行數(shù)組元素{0xd3000000，0x28000000，Ox01000000，DOMAIN_IO，0，1，0，0}，則步進(jìn)電機(jī)的物理地址0x28000006對(duì)應(yīng)的虛擬地址為0xd3000006，在驅(qū)動(dòng)程序中應(yīng)對(duì)這個(gè)地址進(jìn)行操作。

根據(jù)上面提到的步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配信號(hào)，定義它半步模式正轉(zhuǎn)脈沖為：

unsigned char pulse_table［］=

{0x11，0x33，0x22，0x66，0x44，Oxcc，0x88，0x99}；

利用應(yīng)用程序傳遞給stepper ioct1的參數(shù)arg來(lái)判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向。編寫(xiě)ioctl函數(shù)用來(lái)接收應(yīng)用程序?qū)τ诓竭M(jìn)電機(jī)的控制。以下是部分驅(qū)動(dòng)程序代碼：

設(shè)備卸載與前面提到的設(shè)備注冊(cè)是相反的過(guò)程。當(dāng)從系統(tǒng)中卸載一個(gè)模塊時(shí)，主設(shè)備號(hào)要得到釋放。這一操作可以調(diào)用以下函數(shù)進(jìn)行模塊清除：

int unregister_chrdev（unsigned int major，const char*name）；

首先，編譯步進(jìn)電機(jī)模塊，打開(kāi)內(nèi)核中drivers／char／Konfig文件，添加如下語(yǔ)句：

Config STEPPER_MODULE、tristate“stepper module”、depends on ARCH_S3C2440、help、stepper driver module。

在終端中運(yùn)行命令make menuconfig，進(jìn)入內(nèi)核配置主菜單，在DeviceDriver→Character device菜單中看到剛才所添加的選項(xiàng)了，之后編譯為模塊方式。

其次，打開(kāi)內(nèi)核中drivers／char／Makefile文件，添加如下語(yǔ)句：

obj-＄（CONFIG_STEPPER_MODELL）+=stepper_module.o

最后，回到內(nèi)核源代碼根目錄位置，執(zhí)行make modules，就可生成系統(tǒng)所需要的內(nèi)核模塊文件stepper module．ko了。至此，完成了步進(jìn)電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)的編譯。之后，便可使用insmod、rmmod命令分別對(duì)模塊進(jìn)行加載、卸載了。

4 結(jié)論

在嵌入式Linux系統(tǒng)下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核和硬件之間的接口，本文采用字符設(shè)備的思想去實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，介紹了嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序的原理，歸納了驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的一般流程，并結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)闡述了驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。與原有通過(guò)操作PC機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)相比，本文是在Linux操作系統(tǒng)支持MMU的情況下完成了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。